視頻監(jiān)控系統(tǒng)在尚志國有林區(qū)森林防火中的應用

趙麗宏 牛立成 魏何坤 王文革

(黑龍江省尚志國有林場管理局，黑龍江 尚志 150600)

森林是我國生態(tài)文明建設的重要主體，在保持經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展中具有重要的作用，同時對保持生物多樣性也影響巨大。我國擁有森林面積1.75億hm2，總林木蓄積量約為124.56億 m3，當前森林覆蓋率18.21%，我國既是森林林木資源利用大國，也是原始森林火災事故多發(fā)的國家。據(jù)有關統(tǒng)計資料表明，全世界平均每年發(fā)生森林火災高達20余萬起，森林燒毀破壞林木640多萬 hm2，在全球森林總面積占比為0.018%。森林火災具有極強的突發(fā)性、極大的破壞力，已成為當今世界生態(tài)安全的最大威脅之一。國家森林防火指揮部辦公室提供的資料表明，1950—2012年這60多年間，全國累計發(fā)生的森林火災高達79.8萬多起，因火災損害的森林面積3 800多萬 hm2，相當于目前植樹造林年均面積的6倍之多，每年為緊急撲救森林大火耗費大量的人力、物力和財力?？梢哉f森林大火對森林資源和自然生態(tài)環(huán)境的破壞所造成的損失是巨大的，難以估量的。只有做好森林防火預警監(jiān)測，提高預警監(jiān)測能力，確?；鹎榛鹁脑绨l(fā)現(xiàn)、早預防、早處置和早撲滅，才能有效避免森林火災發(fā)生和降低火災造成的損失。

1 尚志國有林區(qū)現(xiàn)狀

1.1 自然地理條件

黑龍江省尚志國有林場管理局(以下簡稱尚志管局)始建于1958年，隸屬黑龍江省林業(yè)和草原局。地處黑龍江省東南部尚志市境內(nèi)，境內(nèi)交通網(wǎng)較發(fā)達，高鐵(哈—牡)客運專線、哈綏鐵路東西橫貫，綏滿高速公路、301國道、229國道、省、市、縣和鄉(xiāng)公路縱橫交錯。尚志管局主管8個國有林場，森林總經(jīng)營面積20.06萬hm2，其中，有林地面積149 078.9 hm2(天然林面積103 568.8 hm2，人工林面積45 510.1 hm2)，森林覆蓋率為74.3%，林木綠化率為74.6%?；盍⒛拘罘e15 065 265 m3。尚志管局的施業(yè)區(qū)氣候條件屬寒溫帶大陸性季風氣候，為低山丘陵地貌，多為淺山區(qū)，農(nóng)林鑲嵌，是森林火災高危區(qū)，森林防火壓力較大[1-3]。

1.2 森林防火面臨的嚴峻形勢

(1)全球的氣候逐漸變暖，極端天氣現(xiàn)象明顯增多，森林火災的威脅加劇。世界氣象組織在2015年的報告中表明，過去的10年，氣候變暖持續(xù)，升溫、強風和干燥等天氣增多，為最熱的時期。近年來，美國、俄羅斯等很多國家出現(xiàn)了歷史罕見的森林火災事件。據(jù)氣象部門分析，目前全世界出現(xiàn)干旱氣候的可能性正呈明顯增加態(tài)勢，我國遭受干旱天氣的影響趨勢也明顯增加。據(jù)有關部門分析，未來的10年全球氣溫仍會持續(xù)攀升，極端氣候現(xiàn)象仍會顯著增多，對森林防火將十分不利。

(2)生態(tài)保護政策持續(xù)發(fā)力，森林內(nèi)的可燃物載量將不斷上升，森林防火壓力也將進一步加重。近年來，天然商品林全面停伐，國有林場加大森林培育力度，森林資源的逐年增長，林內(nèi)的可燃物載量不斷增加。據(jù)相關部門調(diào)查統(tǒng)計，相當一部分林區(qū)林分可燃物載量遠超全球認定的可能引起重特大森林火災每公頃30 t的計算量，森林火災極易發(fā)生。同時，隨著近年人工造林力度的持續(xù)加大，中、幼齡林面積比例越來越大，存在林木自身抵御火險能力不足的特點，如果發(fā)生火災，森林資源將遭受重大損失，甚至造成毀滅性的后果。

(3)受農(nóng)耕方式和文化習俗的影響，野外用火日益增多，以及休閑旅游、林副產(chǎn)品采摘等林內(nèi)活動逐年活躍，造成森林防火難度加大。尚志管局地處淺山區(qū)，林農(nóng)交錯嚴重，雖然近幾年黑龍江省實施了秸稈禁燒，但“燒荒”“煉山”“燒秸稈”“燒地頭”和群眾傳統(tǒng)祭祀習俗等因素影響，農(nóng)事用火依然普遍存在，重大傳統(tǒng)節(jié)日上墳謁祖、焚香燒紙和防火期野炊等現(xiàn)象也較為普遍，林區(qū)野外火源管理難度加大。隨著集體林權制度改革的逐步推進及國有林區(qū)、國有林場改革的逐步實施，森林內(nèi)的各種生產(chǎn)經(jīng)營活動更加活躍，林下種植規(guī)模逐漸增加，森林休閑旅游迅速發(fā)展，進入林區(qū)的人員日益增多。以上這些造成林內(nèi)人員活動增多，野外火源隱患加大，森林防火形勢嚴峻。

2 林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用

2.1 預警監(jiān)測手段現(xiàn)狀

2.1.1 天空—衛(wèi)星監(jiān)控

衛(wèi)星林火監(jiān)測是近年來衛(wèi)星遙感技術在森林防火工作中的新應用。利用衛(wèi)星遙感技術能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積森林進行實時監(jiān)測，這不但能夠及早發(fā)現(xiàn)早期森林火災，尤其是在偏遠地區(qū)和人煙稀少區(qū)域的重特大森林火災。同時它也能夠?qū)σ殉霈F(xiàn)的森林火災，尤其是對重大森林火災蔓延狀況能夠?qū)嵤┏掷m(xù)追蹤監(jiān)控，為撲火工作進行輔助策略，也能夠為日常森林防火和航空護林工作提供氣象、地理等信息。

衛(wèi)星林火監(jiān)測雖然具有監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)收集傳送快、信息推送連續(xù)，且不受地形條件的影響等優(yōu)點，但同時也存在因衛(wèi)星偏角影響，出現(xiàn)位置偏差，需要地面人員現(xiàn)地核實，浪費較大的人力、物力和財力。對偏遠和交通不便的地方，火情核實費時費力。從衛(wèi)星過境，經(jīng)過現(xiàn)場核實，再組織隊伍撲救，整個過程用時較長，容易延誤火災撲救的最佳時機[4]。

2.1.2 高空—瞭望塔人工瞭望

防火瞭望塔一般都建設在森林腹地的制高點，瞭望塔人工瞭望可以發(fā)揮高度優(yōu)勢，擴大森林防火監(jiān)測范圍,可以說是相當于為地面巡護人員安裝了“千里眼”，有效解決了地面巡護無法顧及的區(qū)域，從而提高火情監(jiān)測效率。依托瞭望塔的高度優(yōu)勢，可提高監(jiān)管范圍，站得高看得更遠，并且可作為巡護人員的長期駐點，從而延長巡邏值班的時間。

瞭望塔人工瞭望具有覆蓋面較大、效果較好的優(yōu)勢，同時也存在觀測受地勢影響，有觀測死角和盲區(qū)；受天氣影響，觀察距離不確定；受煙霧影響，火場實際情況觀察不到；受瞭望員自身影響，地位準確性不高，誤差大。同時，林區(qū)天氣多變、雷電天氣時有發(fā)生，瞭望塔生活工作條件簡陋、野生動物襲擊，都影響瞭望員正常開展瞭望。

2.1.3 地面—人工巡護

全局森林資源管護人員在森林防火期內(nèi)負責本責任區(qū)內(nèi)的森林防火巡查，對特殊天氣和重點部位加大巡視力度，以便及時發(fā)現(xiàn)火情，并對初發(fā)火情進行早期控制，同時通知專業(yè)隊伍開展撲救[5]。進入防火期，資源管護站兼具防火檢查站的功能，對入山人員進行防火宣傳，禁止火種入山，及時制止野外非法弄火行為。

人工地面巡護具有靈活機動、現(xiàn)場決策的優(yōu)勢，同時也因夜間或霧天不能觀測，瞭望視野小，環(huán)境影響大，容易造成誤判的缺陷。野外巡查還具有一定的危險性，具有很大的局限性和不穩(wěn)定性。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火預警監(jiān)測中的應用

尚志管局深入分析當前森林防火工作的形勢，準確把握森林防火工作發(fā)展趨勢，堅持預防為主、防滅結(jié)合的方針，為了完善森林資源保護的無死角、全天候和實時監(jiān)控，為實現(xiàn)“預防為主、積極消滅”和“打早、打小、打了”的目標，與中國鐵塔公司哈爾濱分公司合作，充分利用鐵塔存量資源、數(shù)據(jù)傳輸資源，以購買服務的方式建設了林火視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)，基本建成“衛(wèi)星監(jiān)測、視頻監(jiān)控和人工巡護”的天空地立體化森林防火預警監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.1 系統(tǒng)規(guī)劃和布局

根據(jù)全局森林資源分布情況，結(jié)合林區(qū)村屯坐落，利用尚志管局范圍內(nèi)通信基站的高點站址、電力保障和傳輸資源等得天獨厚的優(yōu)勢，利用現(xiàn)有防火瞭望塔高點資源，規(guī)劃布設林火視頻監(jiān)控點位，如圖1所示。由供應商協(xié)調(diào)電力供應以及傳輸資源，布設遠距離高清攝像機晝夜實時監(jiān)控。在管護站附近道路設置卡口攝像機，方便林業(yè)管理人員對上下山人員、車輛進行安全防火檢查及管理。同時，為日后取證追溯提供可靠信息支撐。前端設備通過專線傳輸，將監(jiān)控信號統(tǒng)一匯集到專用平臺，由平臺進行智能處理。發(fā)現(xiàn)火點后，定位火點位置，推送預警信息，智能提供路徑規(guī)劃、行軍導航等功能，可通過移動端上傳火場情況、立地條件等信息[6-4]。

圖1 黑龍江省尚志國有林場管理局防火視頻監(jiān)控點位規(guī)劃圖

2.2.2 系統(tǒng)架構

平臺是森林防火物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心和人機交互窗口，是森林防火物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)用戶的唯一面向的對象，森林防火軟件應具備更好的針對性、易用性和專業(yè)性。

平臺采用主流的技術架構，分5層框架實現(xiàn)，分別為應用層、應用接口層、平臺層、設備接口層和采集層等，系統(tǒng)結(jié)構清晰、配置靈活、便于拓展和升級、與第三方系統(tǒng)無縫對接等，平臺對上下兩層提供統(tǒng)一接口、屏蔽具體實現(xiàn)細節(jié)、支持CS架構和BS架構的客戶端和系統(tǒng)實現(xiàn)方式靈活多變。平臺通過客戶端實現(xiàn)對森林防火視頻信號、信號的展現(xiàn)和保存。平臺軟件架構如圖2所示。

2.2.3 系統(tǒng)功能

森林防火監(jiān)控預警平臺通過對采集層提供的氣象、地理和視頻等多傳感器時空數(shù)據(jù)信息進行序列分析、預測分析、聚類分析、連接分析、判別分析和邏輯分析。通過對時空大數(shù)據(jù)的深度多維度分析，可全面掌握森林實時動態(tài)、火災風險、災情的區(qū)域分布、行業(yè)分布、時段分布和起火原因等信息。通過對林火因子、火災蔓延模型進行深度學習，對林火分析、林火發(fā)生規(guī)律和林火發(fā)展態(tài)勢進行綜合評估，實現(xiàn)對林火進行智能預測、智能報警和智能指揮的綜合管理體系[8]。

圖2 平臺軟件架構圖

(1)平臺可以對所有前端視頻監(jiān)控設備 (包括高點熱成像攝像機、人車卡口)的集中視頻監(jiān)控、存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、管理和控制。

(2)平臺支持同時管理10 000個前端網(wǎng)絡監(jiān)控設備。

(3)平臺可兼容接入支持(ONVIF)標準協(xié)議及GB/T28181協(xié)議的前端視頻設備，可對其中全部功能和參數(shù)進行調(diào)用。

(4)平臺可對前端監(jiān)控設備支持云臺控制功能的設備進行手動控制，可以定位到指定位置，對設備進行調(diào)焦和變倍功能，方便用戶進行精細化操作和定位。

(5)系統(tǒng)對道路卡口視頻監(jiān)控采集的人車數(shù)據(jù)采集的人車數(shù)據(jù)，從而實時監(jiān)控人類、車輛活動。

(6)系統(tǒng)中可以顯示無人機航跡顯示、無人機圖像與視頻播放和視頻接入，并支持設置查詢巡檢軌跡。

(7)系統(tǒng)支持對所有告警信息的查詢、包括告警類型、告警時間和告警狀態(tài)等。

(8)系統(tǒng)可以展示告警信息的詳情信息包括圖片和視頻信息，同時結(jié)合地圖標繪出告警信息點位置和告警信息詳情描述。

2.2.4 系統(tǒng)應用效果

由于林區(qū)地理位置偏遠，基礎設施發(fā)展落后，很多地方?jīng)]有道路，從而導致地面巡查人員巡視不到位，監(jiān)控手段不暢，一旦發(fā)生火災，無法及時準確報告，常常引發(fā)小火釀成大災，造成了重大損失。通過森林資源保護實時監(jiān)控項目建設，提高林業(yè)資源監(jiān)管水平，減少破壞林業(yè)火災事件發(fā)生；減少巡護費用、撲火費用以及相關撲火物資管理費用；進一步提高森林火災的預防能力、監(jiān)控能力和預警能力；進一步提高保護區(qū)的科學技術化、信息化一體化和智能化管理水平，有效保護森林資源安全；進一步提高對森林大火的緊急撲救指揮力量，加強專業(yè)撲火隊伍的快速反應能力，達到合理保護森林資源，鞏固造林綠化成效從而實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強大保障[9]。

林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用端可以通過pc端瀏覽，主要包含綜合控制模塊：本模塊包括基本信息、氣象信息、預警推送信息等；系統(tǒng)預警管理模塊：包括預警信息的詳情，信息處置等；監(jiān)控視頻預覽模塊：可以全部或部分顯示監(jiān)控視頻畫面，通過平臺對遠端監(jiān)控設備進行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)運行3個防火期，累計推送預警信息37 000余條，隨時監(jiān)視農(nóng)用火等野外火源，使林緣附近的火源得到有效監(jiān)管，以便及時采取預防措施。

3 林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用存在的問題

林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行近2年以來，在森林防火預警監(jiān)測中發(fā)揮了很大的作用。但在實際應用中還存在一些缺點和不足，主要表現(xiàn)在成本費用、監(jiān)控范圍和預警精度等。

3.1 通信成本費用高

該系統(tǒng)是與鐵塔公司合作，數(shù)據(jù)傳輸通過移動光纖傳送，通信費用占到總費用的13.6%，占比較大。

3.2 監(jiān)控范圍較小

該系統(tǒng)主要依托鐵塔存量資源，22個高點監(jiān)控中，防火瞭望塔僅有3個。因鐵塔布設主要在村屯附近，離森林較遠，對農(nóng)林結(jié)合部監(jiān)控范圍尚可，林區(qū)內(nèi)部監(jiān)控不到。

3.3 智能算法還不夠精準

系統(tǒng)前端對同一熱點連續(xù)多次推送，對已經(jīng)確認為誤報的點位仍然持續(xù)跟緊，對農(nóng)用車、水面、鐵皮房蓋和太陽等景象誤報率高。

3.4 系統(tǒng)功能還需進一步拓展

該系統(tǒng)除進行森林防火預警監(jiān)測，在資源監(jiān)測、森林病蟲害監(jiān)控等方面功能尚未得到有效開發(fā)。

4 解決措施

4.1 加大無線傳送應用

通過加大無線微波信號傳送應用力度，減少光纖使用，實現(xiàn)1次投入多年使用，從而減少數(shù)據(jù)傳輸成本。

4.2 充分利用防火瞭望塔高點資源

防火瞭望塔在建設選址時都充分考慮了森林資源分布情況，使森林能夠得到有效監(jiān)測。今后需要加大在防火瞭望塔高點資源上多布設前端設備，減少村屯附近鐵塔資源的使用，從而實現(xiàn)森林資源監(jiān)控范圍更加合理化。

4.3 拓展系統(tǒng)應用范圍

通過深入研究，挖掘視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林資源管護、森林病蟲害監(jiān)測方面的功能，形成多功能合一，提高系統(tǒng)應用效果。同時，加強技術人員的培訓，完善基礎數(shù)據(jù)，加強系統(tǒng)維護，發(fā)揮系統(tǒng)最大效益[10-11]。

5 結(jié)語

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火工作的應用能夠拓寬預警監(jiān)測的范圍，能夠24 h連續(xù)監(jiān)測并及時推送預警信息，彌補人工巡護的不足，提高自動化、科技化水平，能夠?qū)崿F(xiàn)火情早發(fā)現(xiàn)、早處置，從而有效降低森林火災造成的損失。值得注意的是，在規(guī)劃建設過程中要充分考慮防火瞭望塔與鐵塔的位置、重點森林資源分布情況和信號傳輸方式等因素，合理布設遠端點位，從而達到功能完善、重點監(jiān)視范圍得到覆蓋、成本費用低的要求。